המבנה המפותל של גיד אכילס

מבוא

גידים מעבירים כוחות שנוצרים בשרירים אל העצמות לכן חיוניים לתנועת האדם. גיד העקב (tendo calcaneus), המוכר בשם גיד אכילס, הוא הגיד החזק והעבה ביותר בגוף. הוא מאגד שלשה ראשי שרירים: ראש אחד של שריר הסולאוס, ואת שני ראשי שריר הגסטרוקנמיוס – הלטרלי והמדיאלי – אל עצם העקב. יחד אלה מהווים את יחידת השריר-גיד התלת-ראשי של השוק (tricep surae). גיד שריר הפלנטריס, המהווה חלק מגיד אכילס, נמצא רק ב-65% מהאוכלוסייה. הגיד מורכב בעיקר מים (כ-70% ממשקלו הכולל), כאשר יתר המרכיבים הם רכיבי המטריצה החוץ-תאית, כולל סוגי קולגן, בעיקר קולגן מסוג 1, פרוטאוגליקנים וגלוקוזאמינוגליקנים. מטריצת הקולגן בגיד מסודרת בארגון היררכי טיפוסי דחוס של צרורות קולגן מקבילים.

גיד אכילס הינו מאפיין מובהק של האנטומיה האנושית, ואף הוצע כי הוא סייע לעצב את האבולוציה האנושית. הופעתו של האדם קשורה ליכולתו לרוץ, תוך כדי שילוב ייחודי של מהירות מתונה וסיבולת יוצאת דופן. גיד אכילס שיחק תפקיד מפתח בתהליך הברירה הטבעית, ומשערים כי מקורו באדם הקדמון כבר לפני יותר מ-3 מיליון שנים.

תמונה 1. גיד אכילס השמאלי (Wikimedia commons)

גיד אכילס נתון לעומסים רבים במהלך תנועה אנושית, פעילויות ספורט, ופעילויות חיי היומיום. כתוצאה מכך, רקמה זו חווה כוחות גדולים (עד פי 6-8 משקל הגוף במהלך ריצה), כמו גם שינויים משמעותיים באורך. הגיד תורם באופן משמעותי לחיסכון האנרגטי בתנועה על ידי אחסון ושחרור של אנרגיה אלסטית במהלך טעינה ופריקה, יתר על כן, יחידת השריר-גיד התלת-ראשי של השוק מאפשרת פיזור אנרגיה בעת הצורך, למשל, בעת נחיתה מקפיצה גבוהה.

פציעות הן תופעה נפוצה בגיד, כאשר המצב השכיח ביותר הוא כאב כרוני (טנדינופתיה). יתר על כן, קרע בגיד אכילס שכיח למדי, ונחשב קשור לגורם בטיחות נמוך, דבר המרמז על כך שהגיד פועל קרוב לנקודת הכניעה המכנית או הקריעה שלו יותר מרוב הגידים האחרים במהלך פעילויות הכרוכות בעומסים גבוהים. נראה שגורם בטיחות נמוך זה הוא תוצאה של יחס הפוך שקיים בין יכולת הגיד לאחסן ולשחרר אנרגיה לבין הנוקשות והחוזק המבני שלו.

האם ניתן להקיש ממבנה גיד אכילס על השכיחות הגבוהה של פציעות וכאב?

רבים מהמחקרים שבודקים את מבנה גיד אכילס מבוססים על ניתוחי גופות. באופן מסורתי, גידים והאפונרוזות שלהם נחשבו מבנים הומוגניים המעבירים כוח מהשרירים המתכווצים אל העצם באופן ליניארי. התקדמות טכנולוגית של השנים האחרונות אפשרה חקירה מפורטת יותר של רקמות גידים ושל תפקודי הגומלין עם השרירים הקשורים אליהם במודל חי. ספציפית, נראה שגיד אכילס עובר סיבוב לאורכו וכי הוא מורכב מתת-יחידות גיד עצמאיות מכנית שנקראות, "תת-גידים". יתר על כן, ארכיטקטורה זו עשויה להתבטא בהבדלים אזוריים במאפיינים המכניים ובתכונות החומר של הגיד.  מסתבר כי מבנה ותפקוד הרקמות המעבירות כוחות מסובכים יותר ממה שחשבו בעבר.

מבחינה אנטומית, המבנה הפנימי של יחידת השריר-גיד התלת-ראשי של השוק הוא מורכב. האנטומיסט והאנתרופולוג האנגלי, פרדריק פרסונס (Parsons,1897), תאר לראשונה במאמר משלהי המאה ה-19 כי, אצל יונקים נמוכים יש לגיד אכילס שלושה חלקים (או ארבעה, אם כוללים את הפלנטריס) אותם ניתן להפריד בנתיחה מתחילתם ועד לאזור התחברותם לעצם העקב. בבדיקה שערך פארסונס בגדילי הגיד של גור כלבים מצא כי ארבעת התת-גידים מהם הגיד מורכב – שני ראשי הגסטרוקנמיוס, הסולאוס והפלנטריס – עברו פיתול של חצי מעגל. כאשר הפריד את החלקים השונים וסובב את הרגל עד שהבהונות הצביעו לאחור, גידי הגסטרוקנמיוס והפלנטריס הפכו "בלתי-מפותלים" והיו "מונחים במקביל, זה לצד זה" (תמונה 2).

תמונה 2. גיד אכילס של בונה (Parsons, 1897)

מחקרים מאוחרים יותר דווחו על הבדלים במאפיינים המבניים בין הראש המדיאלי לבין הראש הלטרלי של שריר הגסטרוקנמיוס. כמו כן, דווח כי ניתן להפריד את שריר הסולאוס לשלושה חלקים בהתבסס על הבדלים מבניים. בנוסף, גיד אכילס תואר כמבנה "סלילי" עם סיבים בעלי מראה מפותל. העבודות המצוטטות ביותר שחקרו מבנה יחודי זה הן מאת:  Parsons 1897, Cummins 1946, Gils 1996, Pichler 2007, Szaro 2009, Edama 2014,Edama 2015.

תמונה 3. שלושת התת-גידים העיקריים של גיד אכילס. (Ballal et al.,2014)

מחקר פולני (Pękala,2017) שהתפרסם בכתב העת הסקנדינבי לרפואה ומדע בספורט ב-2017, התבסס על דגימות שהתקבלו מ-53 גופות קפואות טריות (106 גפיים תחתונות) במטרה לחקור באופן מקיף את המאפיינים האנטומיים של גיד אכילס ותת-היחידות שלו, ובמיוחד, להעריך את זווית הפיתול באמצעות כלי מדידה חדש, שתוכנן והודפס בתלת ממד על ידי מחברי המחקר.

ממחקרים קודמים עולה כי פרוקסימלית, סיבי גיד אכילס מצטרפים לסיבי שריר התלת-ראשי של השוק ברמת צומת השריר-גיד. תת-היחידות הללו יוצרות ביחד את החלק הגידי של גיד אכילס ומסתובבות כאשר הן יורדות מטה אל כיוון עצם העקב. גיד אכילס מצטרף דיסטלית אל המשטח המפרקי (facet) העליון, האמצעי ותחתון של גבשוש העקב, ורוחב הכניסה שלו משתנה מ 20-48 מ"מ.

המבנה הספירלי היורד של גיד אכילס מאפשר לו לשאת את העומסים התפקודיים החלים עליו. בתורם, הבדלים בדרגת הפיתול עשויים לתרום למנגנוני פציעה בגיד אכילס, או לספק הסבר חלקי לרגישות המוגברת לפציעה אצל אנשים מסוימים. מחברי המחקר סבורים כי הבנה מפורטת של המבנה הספירלי עשויה להועיל במניעת פציעות ובכירורגיה אורתופדית של קרעים בגיד.

נראה כי צרורות סיבי הקולגן שמקורם בכל אחד ממדורי שריר התלת-ראשי של השוק, עוברים סיבוב פנימי (internal rotation), כפי שנראה מפרוקסימלי לדיסטלי, כך שהגיד של רגל ימין מתפתל נגד כיוון השעון, ואילו הגיד של רגל שמאל מתפתל בכיוון השעון. במקור, קומינס ועמיתיו (Cummins 1946) תארו שלושה סוגי פיתול של הגיד: סוג I – פחות מפותל, סוג II – מפותל בדרגה בינונית, וסוג III – מפותל מאוד. דווח כי סוג פיתול I הוא הנפוץ ביותר באוכלוסייה, עם שכיחות של 50%-84%, סוג פיתול III, הכי פחות נפוץ, עם שכיחות של 0%-13% (תמונה 4).

במחקר זה לא נצפו הבדלים בין הצד הימני לשמאלי, ובמחקרים קודמים אחרים, לא נצפו הבדלים בין גברים לנשים.

תמונה 4. סוגי פיתול של גיד אכילס השמאלי. למעלה: מודל בתלת ממד, למטה: דגימות מנתיחה, מבט גבי. (Pękala et al.,2017).

בשל הפיתול, סידור סיבי גיד אכילס בקצה הדיסטלי שלהם שונה לחלוטין לעומת סידור הסיבים בקצה הפרוקסימלי שלהם. באזור הדיסטלי של גיד אכילס השמאלי, למשל, החלק הקדמי הלטרלי של הגיד לרוב מורכב מהסיבים שמקורם בגסטרוקנמיוס הלטרלי ו/או מסיבי הסולאוס (מדיאלית), ואילו חלקו האחורי של גיד אכילס השמאלי נוצר בעיקר על ידי סיבי הגסטרוקנמיוס המדיאלי ו/או סיבי הסולאוס (מדיאלית) (תמונה 5).

תמונה 5. מודל סכמטי, ממוצע, של תת-הגידים של גיד אכילס השמאלי בשלוש רמות פיתול שונות מפרוקסימלי לדיסטלי. (Pękala et al.,2017)

החוקרים מצאו בנוסף כי פיתול צרורות הסיבים השטחיים המרכיבים את הגיד (גסטרוקנמיוס מדיאלי) היה מופחת משמעותית מזה של הצרורות העמוקים (גסטרוקנמיוס לטרלי וסולאוס). שטח חתך הרוחב של הגיד היה קטן יותר ברמת הצומת הגיד-שריר מאשר באתר הכניסה לעצם. דרגת הפיתול הגבוהה ביותר של הגיד נצפתה בחלק הקדמי ביותר (העמוק) של הגיד (גסטרוקנמיוס לטרלי). החוקרים מציעים שסוג הפיתול עשוי לשנות את המאפיינים הביומכניים של הגיד ובכך להשפיע על המנגנונים הפתופיזיולוגיים המוליכים להתפתחות של טנדינופתיות שונות.

לסיכום ביניים ניתן לומר כי, על אף ההוכחה שגידי אכילס עוברים סיבוב כלפי פנים בדרכם אל העקב, הסיבה התפקודית לכך עדיין אינה ידועה.

מדוע הגיד מסתובב?

החוקר הנורבגי ינס בויסן-מולר והחוקר הדני פיטר מגנוסון חברו למאמר ב-2015 כדי לדון בהשלכות האפשריות של המבנה המפותל של גיד אכילס (Bojsen-Møller & Magnusson, 2015).

החוקרים משערים כי סיבוב הגידים עשוי לשקף תכנון מבני אשר מאפשר לסיבי שריר הממוקמים רחוק זה מזה בשרירים קשורים לפעול באורכים דומים יותר במהלך טווח תנועה מפרקי מלא, אך עדיין לא ידוע האם קיים מנגנון כזה לגבי גיד אכילס.

השערה נוספת היא שגיד אכילס, בדומה לחבל, בנוי כך שהפיתול מאפשר לו את היכולת לאחסן ולשחרר אנרגיה במהלך טעינה ופריקה, בהתאמה. אנלוגיה זו עשויה להיראות הגיונית לעיצוב של גיד אנושי, משום שגידים מסוימים מעורבים יותר בשליטה במנחים והעברת כוח יעילה, כמו למשל גידי היד או האמה, ואילו גיד אכילס (בנוסף להעברת כוחות) מעורב מאוד באחסון ושחרור אנרגיה במהלך תנועה.

לבסוף, סיבוב הגידים יכול לשמש לוויסות לחץ תוך-גידי במהלך עומסי הדחיסה והמתיחה אשר חלים במיוחד על גיד אכילס. במבנה לכיד או ליניארי, לחץ פנימי מצטמצם יותר תחת מאמצי מתיחה לעומת מבנה מסובב. על אף שזו השערה ספקולטיבית מאוד, ויסות הלחץ התוך-גידי עשוי למלא תפקיד בשמירה על תפקוד כלי הדם והעצבים, ופוטנציאלית גם בדיפוזיה של נוזלים, אשר בתורם עשויים להתייחס לבריאות ותפקוד הרקמה.

בויסן-מולר ומגנוסון מסכמים כך: "תפקידו המדויק של הפיתול בגיד אכילס נותר לא ידוע. אם טכנולוגיות הדמיה עתידיות יוכלו לאפשר כימות של סיבוב התת-גידים במודל חי, זה יהיה מודל רב עוצמה שיבחן את תפקיד הסיבוב והשפעותיו, למשל, על ביצועי תנועה, חיסכון תנועתי ו/או פציעה, תוך התחשבות בשונות הגדולה של הפיתול אשר קיימת בן בני אדם."

לכמת את הפיתול

קבוצת חוקרים מאוסטרליה וניו-זילנד (Shim, Handsfield et al.,2018), ביצעה ניסוי משולב באמצעות הדמיה ובמבחנה כדי לאפיין את תפקיד הפיתול של גיד אכילס. המחקר התפרסם בכתב העת המדעי Scientific Reports.

לאחר תאור קצר של עבודות קודמות, הם מציינים: "מה שחסר בספרות הנוכחית הוא הסבר על התפקיד הפונקציונלי של הפיתול", ומוסיפים שמספר חוקרים שיערו כי פיתול הצרורות היא דרכו של הטבע להגדיל את חוזק הגיד יחד עם האפשרות להתארך ולהרתע אלסטית בעת הצורך. בנוסף, שפיתול הצרורות מביא להפחתת הקריסה (buckling) של הסיבים, דבר שמוביל לעיוות מופחת של סיבים בודדים תחת מתח. עם זאת, עד כה לא נערך ניתוח כמותי ושיטתי של תפקיד הפיתול בגיד אכילס, ולכן אין כרגע תשובה ברורה לשאלה מדוע גיד אכילס באדם הוא ספירלי וכיצד הפיתול משפיע על התנהגותו. לדבריהם, ידע זה חשוב במיוחד היות שמחקרים שנעשו לאחרונה מצביעים על כך שטבע העיוות בגיד, במיוחד פיזור הטרוגני של מאמצי מתיחה, עשוי לתרום להתפתחות של פציעות יתר וטנדינופתיה.

מטרת המחקר הייתה, אם כן, לקבוע את התפקיד הביומכני של פיתול צרורות הסיבים בגיד אכילס באמצעות שילוב של ניסויים מכניים של רקמות במבחנה ומידול של ניסוי באמצעות מחשב.

החוקרים השתמשו בנתוני ניסויים שהתקבלו ממחקר קודם מאת וורן ושותפיו (Wren,2003). קבוצה זו ביצעה ניסויים מכניים בגידי אכילס טריים וקפואים של אדם מבנק תורמים. הדגימות נסרקו באמצעות אולטרסאונד ולאחר מכן עברו מבחני מתיחה מחזורית על ידי מכונה לבדיקה חומרים. המחקר הנוכחי השתמש בנתונים של 10 גידים ממחקרו של וורן (שמונה נשים ושני גברים, ממוצע גיל 68 שנים).

תמונה 6. מבט חזיתי אל פיתול צרורות הסיבים בגיד במודל הממוחשב, עם המדיאלי בצד שמאל והלטרלי בצד ימין (גיד רגל שמאל). הקווים המנוקדים האדומים מציינים את מידת סיבוב הצרורות בזוויות פיתול שונות.

החוקרים גילו שפיתול הצרורות ממלא תפקיד בהשוואת מאמצים בתוך הגיד, במיוחד על ידי פיזור מאמצים הפועלים מהצד המדיאלי על הגיד החופשי הלטרלי. הדבר עשוי להיות חשוב במיוחד, כי מעבר כף הרגל מכפיפה דורסלית ואיברסיה לכפיפה פלנטרית ואינברסיה מביאה לריכוזי מאמץ ומתיחה הפועלים על הגיד המדיאלי. עולה בקנה אחד עם זה, במודלים ללא פיתול צרורות, הם ראו ריכוזי מאמצים הפועלים על הגיד המדיאלי. ריכוזי מאמץ מקומיים כאלה מחלישים את החוזק הכולל של הרקמה ומעמידים אותה בפני סכנת פציעה. נראה שפיתול של עד 45 מעלות מפזר מחדש את ריכוזי המאמץ המדיאלי לאזורים רחבים יותר, דבר שמפחית מאמצי שיא ומקל על ריכוזי מאמץ. כאשר פיתול צרורות היה נוכח, היכולת לשאת עומסי קריעה גדלה עד ל-40% לעומת אפס פיתול. דבר זה מעיד על כך שפיתול הצרורות שיפר את חוזק הרקמה בתנאי עומס.

תמונה 7. פיזורי המתח על פני חמש זוויות פיתול. מבט אחורי עם המדיאלי מימין והלטרלי משמאל (גיד רגל שמאל). הנוכחות של פיתול הסיבים משנה את מיקום ריכוזי המתח מהאזור המדיאלי לכיוון שני הצדדים, המדיאלי והלטרלי.

כותבי המחקר מפנים למחקר מאת דין ועמיתיו (Dean,2007), שהציעו הסבר מעניין לתפקיד של פיתול הגיד על התנהגות שרירים. בעזרת הלסת הקדמית של דג סחוס מנומר (spotted ratfish) כמודל תיאורטי, הם הראו כי בשרירים רחבים המחוברים למבנים מסתובבים, פיתול צרורות הגיד משווה מאמצי מתיחה על פני יחידת השריר-גיד ומאפשר ייצור כוח גדול יותר. אילו לא היה פיתול, אורכי הסיבים בתוך שריר היו משתנים מאוד לאורך טווח התנועה המפרקי, דבר שהיה מוביל למומנטים משתנים ברחבי השריר שהיו מערערים את יכולת הכיווץ שלו. פיתול צרורות פותר בעיה זו שכן הוא ממזער את השונות במתח הסיבים. שריר התלת-ראשי של השוק בבני אדם הוא, למעשה, שריר רחב המחובר למבנה מסתובב (עצם העקב) דרך גיד אכילס. לכן, סביר להניח כי פיתול הצרורות באכילס ממלא תפקיד דומה לזה שהציגו דין ועמיתיו, דבר המצביע על השפעתו על מכניקת השרירים בנוסף להשפעות על מאמצי הגיד.

במחקר הנוכחי, החוקרים יצרו מודל נפרד המסוגל לדמות גלישה של תת-גידים תוך כדי מדידת פיזור המאמץ ברקמה. התוצאות הראו כי בעוד שהפיתול מפזר מחדש את המאמצים בתוך הרקמה, גלישה קשורה להעברת כוחות בין התת-גידים, דבר שמגביר את חוזק הרקמה. תוצאה זו מספקת הסבר מכני לגבי האינטראקציה בין התנהגות הגיד לבין המבנה הפנימי של הרקמה.

תוצאות נוספות מספקות הקשר לתפקיד פיתול הצרורות בחוזק הרקמה לעומת גורמים גיאומטריים ומכניים של חתך-הרוחב של הגיד והנוקשות שלו. הגדלת אזורי חתך הרוחב מפחיתה את המאמץ הממוצע ברחבי הגיד, ומעניקה לו מרווח בטיחות טוב יותר. מחקר קודם הראה כי רצים למרחקים ארוכים הגדילו באופן משמעותי את אזורי חתך הרוחב של גיד אכילס לעומת אלה בענפי ספורט אחרים. עלייה בנוקשות הגיד מתבטאת במתחים קטנים יותר לכל כוח נתון, דבר שמפחית את הסבירות לפציעות מתיחה בגיד.

בנוסף, בעבודות אחרות, דווח כי הגיד הוא רקמה פעילה מטבולית המגיבה לגירוי מכני ומשפצת את עצמה על ידי שינוי אזור חתך הרוחב והנוקשות. כעת נותר לראות האם פיתול צרורות הסיבים משתנה גם לאחר פעילות גופנית ואימונים.

החוקרים מציינים כי ישנן מספר מגבלות במחקר זה, בהן יש להתחשב. ראשית, הם עיצבו את הגיד כחומר היפר-אלסטי ולא התחשבו בשינויים ויסקואלסטיים תלויי זמן והיסטוריה במאפייני חומר הרקמה. הם טוענים שעם זאת, המחקר לא התמקד בשיפוץ רקמה תלוי זמן, אלא בחוזק הרקמה, וככזה, ההיבט האלסטי הלא-ליניארי שולט בהתנהגות הכוללת של הרקמה, ולכן מקובל להשתמש בתכונות של חומר היפר-אלסטי. שנית, זווית הפיתול המיושמת הייתה מפיתול צרורות אידיאלי שנוצר לפי הפיתול שתואר במחקרים אנטומיים.

גישה מדויקת יותר תהיה להשתמש בנתוני הדמיה ממודל חי, במיוחד בהתחשב באפשרות של השונות בין האנשים. החוקרים אומרים כי למיטב ידיעתם, טרם דווח על הדמיה באיכות גבוהה של פיתול הצרורות במודל חי. במחקר זה הם ישמו מספר זוויות פיתול שונות במודל כדי להמחיש את השונות הזו. עם זאת, המגבלות במודל ההיפר-אלסטי גורמות לכך שהתוצאות המוצגות כאן הן עדיין איכותיות בטבען. עם זאת, הם מבהירים, פיתוח שיטות הדמיית MRI של פיתול צרורות סיבי גיד מתבצע כעת. לכן, הדבר מבטיח כי גישות הדמיה עתידיות יספקו דרכים מדויקות יותר כדי לתאר פיתולי צרורות גיד ספציפיים של אדם עבור מודלים ממוחשבים, וכן שמחקרים עתידיים המשלבים גישות דומות לאלה בהן השתמשו עשויים לסייע בתכנון פרוטוקולים של אימון ושיקום לניהול פציעות וניוון של גידים.

סיכום עד כה

חוקרים רבים עמלים לפענח את סודות הפיתול של גיד אכילס זה 131 שנים. החל מפרדריק פרסונס ב-1897 ועד להנדספילד ושותפיו ב-2018. מאפיינים רבים של חומר הרקמה ממנה הגיד עשוי והתנהגותו המכנית, הפיזיולוגית והפתופיזיולוגית כבר נחשפו, אך ללא ספק, המשך הסיפור עוד לפנינו.

מקורות:

On the Morphology of Tendo-Achillis, Parsons, 1894

Heterogeneous Loading of the Human Achilles Tendon In Vivo ,Jens Bojsen-Møller and  S. Peter Magnusson, 2015

The twisted structure of the Achilles tendon unraveled: A detailed quantitative and qualitative anatomical investigation. Pękala PA, Henry BM, Ochała A, Kopacz P, Tatoń G, Młyniec A, Walocha JA, Tomaszewski KA. 2017

Combining in silico and in vitro experiments to characterize the role of fascicle twist in the Achilles tendon. Vickie B. Shim, Geoff G. Handsfield, Justin W. Fernandez, David G. Lloyd  & Thor F. Besier.,2018

Wikipedia, Wikimedia commons